深沟球轴承优化设计.pdf
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1、主讲:李尚勇 洛阳轴研科技股份有限公司产品开发部洛阳轴研科技股份有限公司产品开发部洛阳轴研科技股份有限公司产品开发部洛阳轴研科技股份有限公司产品开发部 2010-10-6优化设计2 洛阳轴研科技股份有限公司洛阳轴研科技股份有限公司 内容简介 一、概述一、概述 二、优化设计基础(优化设计计算方法)二、优化设计基础(优化设计计算方法) 三、深沟球轴承优化设计及主要参数三、深沟球轴承优化设计及主要参数 四、结构及结构参数设计四、结构及结构参数设计 五、密封轴承设计五、密封轴承设计 六、轴承设计举例六、轴承设计举例 七、深沟球轴承发展方向七、深沟球轴承发展方向 2010-10-6优化设计3 洛阳轴研科
2、技股份有限公司洛阳轴研科技股份有限公司 一、概述 深沟球轴承的特点: 量大面广,其基型及其变形结构产品占轴承总产量的70%以上 优化设计水平与国外公司比较: CrSKF Cr 优化设计 规格型号 数量 111136038 占总规格 比例 100%11.7%54.1%34.2% 1.0220.900.980.991.011.021.17 水平比较 高于SKF低于SKF与SKF相当高于SKF 2010-10-6优化设计4 洛阳轴研科技股份有限公司洛阳轴研科技股份有限公司 一、概述 深沟球轴承的结构及特点深沟球轴承的结构及特点 深沟球轴承的主要结构形式有基本型、带防尘盖和带密封圈深 沟球轴承。 带防
3、尘盖的深沟球轴承防尘盖与内圈之间有径向间隙,极限 转速与基本型深沟球轴承相同,轴承装配时填入了适量润滑剂,在 使用过程中不用填加润滑剂。 带密封圈的深沟球轴承一般采用钢骨架式丁腈橡胶密封圈,有 接触式和非接触式之分。 接触式密封密封效果较好,但摩擦力矩较大,极限转速较低; 非接触式密封,其极限转速与基本型深沟球轴承相同。轴承装 配时填入了适量润滑剂,在使用过程中不用填加润滑剂。 2010-10-6优化设计5 洛阳轴研科技股份有限公司洛阳轴研科技股份有限公司 二、优化设计方法 机械优化设计包括建立优化设计问题的数学模型和选择恰 当的优化方法与程序两方面的内容列出每个主题要花费的 时间 网格法、牛
4、顿法、共轭梯度法、坐标轮换法、鲍为尔法、 随机方向法、惩罚函数法、线形逼近法、广义简约梯度法 等等 2010-10-6优化设计6 洛阳轴研科技股份有限公司洛阳轴研科技股份有限公司 深沟球轴承优化设计的特点: 就深沟球轴承优化设计而言,它属于一种离散变量优化设计 问题,其具体表现在: 1 深沟球轴承的滚动体数量有限、为离散的自然数; 2 深沟球轴承的滚动体已经标准化,其直径为有限个离散 值; 3 深沟球轴承外型尺寸为一系列离散的标准值。 2010-10-6优化设计7 洛阳轴研科技股份有限公司洛阳轴研科技股份有限公司 网格法简介: 网格法是解非线形规划的最简单的方法,事实上它是 一种穷举法。 设问
5、题为: 极小化f(x), xEn 满足约束 gi(x)0, j=1,m. 变量的取值范围为 aixibi, I=1,n 2010-10-6优化设计8 洛阳轴研科技股份有限公司洛阳轴研科技股份有限公司 网格法简介(2): 2010-10-6优化设计9 洛阳轴研科技股份有限公司洛阳轴研科技股份有限公司 三、深沟球轴承优化设计 25.4mmD DZfbC w 1.8 w 2/3 cmr = 深沟球轴承的承载能力是以其额定动载荷Cr来衡量。 优化设计的目标函数 2010-10-6优化设计10 洛阳轴研科技股份有限公司洛阳轴研科技股份有限公司 主要参数约束条件 主参数: Z,Dw,Dwp 约束条件有三个
6、: d)(DKDd)(DK WmaxWiWmin maxjmaxWPWi 1 ) 1Z)(DD(Sin2180 0.5(D+d)DWP0.515(D+d) 2010-10-6优化设计11 洛阳轴研科技股份有限公司洛阳轴研科技股份有限公司 形成网格点 2010-10-6优化设计12 洛阳轴研科技股份有限公司洛阳轴研科技股份有限公司 判断点是否符合条件 判断点是否符合条件 2010-10-6优化设计13 洛阳轴研科技股份有限公司洛阳轴研科技股份有限公司 求最大值及对应点 2010-10-6优化设计14 洛阳轴研科技股份有限公司洛阳轴研科技股份有限公司 四、结构及结构参数设计 右图为深沟球轴承简图
7、其中: () eiwp dd 2 1 D+= wier D2dDG= 1、滚动轴承几何学 2010-10-6优化设计15 洛阳轴研科技股份有限公司洛阳轴研科技股份有限公司 2、深沟球轴承填球角研究 容许填球角有由几 何条件确定的容许 填球角g和由许 用应力确定的容许 最大填球角s之 分。 右图为几何填球角 计算模型 2010-10-6优化设计16 洛阳轴研科技股份有限公司洛阳轴研科技股份有限公司 2、深沟球轴承填球角研究 由几何条件确定的容许填球角g为: 当径向游隙Gr=0时,上式可简化为: () + + + + = 2 2 )5 . 0( 5 . 014)5 . 0( 1 2)1 (4 5
8、. 0 ) 2 180( GrD GrDKGrD GrDK GrD Cos wp wdw wd wpg wp g D Dw)Kd1 ( ) 2 180(Cos = 2010-10-6优化设计17 洛阳轴研科技股份有限公司洛阳轴研科技股份有限公司 2、深沟球轴承填球角研究 由许用应力确定的容许最大填球角s可近似地表示为: 式中: K -系数,K=0.2324度/N/mm21/2 -许用应力,N/mm2R -截面形心与外圈中心之距 离,mm Y -截面形心距挡边距离,mm wp s DY PK180 += 2010-10-6优化设计18 洛阳轴研科技股份有限公司洛阳轴研科技股份有限公司 2、深沟球
9、轴承填球角研究 一般情况下,设计填球角应满足: 个别情况下,当gs时,允许大于g但不超 过s,此时,在外圈未变形之前将有一个钢球不能进入 滚道,只有在压缩外圈的同时,最后一个钢球才能进入 滚道而完成装配 自动装配时,深沟球轴承填球角理想值为181 186,小于181,容易散球,大于186,自动装配 较为困难,这次优化设计规定填球角上限为:100系列 195;200系列194,300系列,400系列192。据 此设计的所有规格,都满足s的条件,就是说,不 会出现装配分球时外圈产生残余变形的情况 min sg 2010-10-6优化设计19 洛阳轴研科技股份有限公司洛阳轴研科技股份有限公司 2、深
10、沟球轴承填球角研究 另外,在设计填球角下,装球分球所需压力和压缩量是装配 中需要的两个重要参数,它们可分别表示为(假定=0): 式中: Pmin最小装配压力E弹性模量 J外圈横截面的惯性矩R截面形心与外圈中心距离 0最小压缩量设计填球角 )1Sin( 4 CosSinR2 )Cos1 (ED P 23 wp min + + = wp 2 2 0 D ) 1Sin( 4 CosSin )Cos1)(1 8 ( + + = = 180 )90 2 ( 2010-10-6优化设计20 洛阳轴研科技股份有限公司洛阳轴研科技股份有限公司 3、外圈带游隙设计 本次优化设计采用外圈带游隙设计。即: G rm
11、in 、G rmax 分别代表游隙下限和上限值。 2 GrGr 2Dd D maxmin wie + += 2010-10-6优化设计21 洛阳轴研科技股份有限公司洛阳轴研科技股份有限公司 4、内外沟道不等曲率设计内外沟道不等曲率设计 沟曲率半径一般可表示为: = = wee wii DfR DfR mm8Dw 0.530-0.525 fe 0.520-0.515 fi = = mm8Dw 0.530-0.523 fe 0.520-0.512 fi = 满足要求 1、开式深沟球轴承设计、开式深沟球轴承设计 2010-10-6优化设计57 洛阳轴研科技股份有限公司洛阳轴研科技股份有限公司 满足要
12、求 还必须保证保持架不与套圈碰套,验算时应满足关系: 1 maxmax2min1C 22 dD + 1 maxmaxCmin2 22 dD + 2 . 0 1 = 49. 02 . 0 2 58. 0 2 1 max =+=+ 49. 095. 4 2 8 .40705.50 2 dD max2min1C = = 49. 065. 0 2 895.502 .52 2 dD maxCmin2 = = 查表得 则 1、开式深沟球轴承设计、开式深沟球轴承设计 2010-10-6优化设计58 洛阳轴研科技股份有限公司洛阳轴研科技股份有限公司 相邻两球兜中心间距离相邻两球兜中心间距离C 兜孔中心与相邻铆
13、钉孔中心间距离兜孔中心与相邻铆钉孔中心间距离C1 圆角圆角rc 025. 0904.15 9 180 Sin5 .46 Z 180 SinDC CP = = = 025. 0075. 8 9 90 Sin5 .46 Z 90 SinDC CP1 = = = 圆角半径rc应尽可能取大,但是为了便于铆合,在保持架铆 钉大头的圆周必须保证宽度不小于0.3mm的平面,因此 取rc=0.6 3 . 0 2 D SD5 . 0 S CosSinS 2 D Cr m w 1w 1c + + 1 . 1 3 . 0 2 9 . 1 1525. 95 . 0 1 CosSin1 2 5265. 9 075. 8
14、 1 = + += 1、开式深沟球轴承设计、开式深沟球轴承设计 2010-10-6优化设计59 洛阳轴研科技股份有限公司洛阳轴研科技股份有限公司 铆钉选取铆钉选取 浪形保持架用半圆铆钉 取: 2 . 42 . 1Ldm= mm13. 1d min1 = 最小杆端直径 1、开式深沟球轴承设计、开式深沟球轴承设计 2010-10-6优化设计60 洛阳轴研科技股份有限公司洛阳轴研科技股份有限公司 2、带密封圈深沟球轴承设计、带密封圈深沟球轴承设计 密封深沟球轴承系开式深沟球轴承的变型产品,其 主要的不同点在于带有密封圈,因此,在外圈上要 设置密封槽,并相应提高相关尺寸形位公差的技术 要求,其余则完全
15、与开式深沟球轴承相同。 轴承套圈上不标志,在密封圈外侧面模压标志。 2010-10-6优化设计61 洛阳轴研科技股份有限公司洛阳轴研科技股份有限公司 a 外圈设计 外圈设计 外圈挡边直径D2 12. 0 02 2 .52D + = 9 . 0b1= 2m1mH1 Sbb+= 12. 0 0 0 . 22 . 03 . 06 . 09 . 0 + =+= 外圈密封槽顶宽b1 外圈密封槽位置b 2、带密封圈深沟球轴承设计、带密封圈深沟球轴承设计 2010-10-6优化设计62 洛阳轴研科技股份有限公司洛阳轴研科技股份有限公司 取 H2m23 S2DD+= 06. 04 .546 . 02 . 12
16、 . 022 .52=+= 06. 02 .551 . 09 . 04 .541 . 0bDD 134 =+=+= 2 DD bbH 34 1 = 2 4 .542 .55 9 . 00 . 2 = 5 . 07 . 0= =45 外圈密封槽止口直径D3 外圈密封槽底直径D4 外圈密封槽压坡角 当止口厚度 2、带密封圈深沟球轴承设计、带密封圈深沟球轴承设计 2010-10-6优化设计63 洛阳轴研科技股份有限公司洛阳轴研科技股份有限公司 外圈沟位置尺寸ae对两端面的对称度选取。 ae的对称度为0.06 4 . 0R1= 密封槽顶圆弧半径R,选取 2、带密封圈深沟球轴承设计、带密封圈深沟球轴承设
17、计 2010-10-6优化设计64 洛阳轴研科技股份有限公司洛阳轴研科技股份有限公司 b 内圈设计内圈设计 除内圈沟位置尺寸ai和内圈挡边直径d2公差外,其余各 部尺寸与深沟球轴承完全相同。接触式与非接触式密封轴 承的内圈相同。 内圈沟位置尺寸ai对两端面的对称度与同型号外圈的 对称度相同 ai的对称度为0.06 内圈挡边直径d2 0 016. 02 8 .40d = 2、带密封圈深沟球轴承设计、带密封圈深沟球轴承设计 2010-10-6优化设计65 洛阳轴研科技股份有限公司洛阳轴研科技股份有限公司 c 密封圈设计密封圈设计 06 . 0 32.5512. 0 2 . 55DD 3m41m =
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